Pourquoi une voiture Tesla utilise-t-elle un moteur à courant alternatif au lieu d'un moteur à courant continu?

Je regardais simplement une méga-vidéo d'usine et je me demandais pourquoi ils utilisaient un moteur à courant alternatif nécessitant un onduleur au lieu d'un courant continu pouvant être alimenté directement par leur batterie CC. L'introduction d'un onduleur entraîne des coûts supplémentaires (poids, contrôleur, etc.).

Y a-t-il des raisons pour cela? Quelles sont les différences entre un moteur à courant alternatif et un moteur à courant continu qui peuvent avoir conduit à cette décision? Est-ce que quelqu'un sait aussi quel type de moteur est utilisé dans d'autres voitures électriques?

Vous vous interrogez sur les compromis techniques liés au choix d'un moteur de traction pour une application de véhicule électrique. La description de l'espace de travail de conception complète va bien au-delà de ce que l'on peut raisonnablement résumer ici, mais je vais décrire les compromis de conception importants pour une telle application.

Étant donné que la quantité d’énergie pouvant être stockée chimiquement (c’est-à-dire dans une batterie) est assez limitée, presque tous les véhicules électriques sont conçus dans un souci d’efficacité. La plupart des moteurs de traction utilisés dans les applications de transport en commun pour les applications automobiles se situent entre 60 et 300 kW. La loi des ohms indique que les pertes de puissance dans le câblage, les enroulements du moteur et les interconnexions de batterie sont P = I ² R. Ainsi, une réduction de moitié du courant réduit de moitié les pertes par résistance. En conséquence, la plupart des applications automobiles fonctionnent à une tension nominale du circuit intermédiaire comprise entre 288 et 360 V _nom (cette sélection de tension a également d'autres raisons, mais concentrons-nous également sur les pertes). La tension d’alimentation est pertinente dans cette discussion, car certains moteurs, comme le Brush DC, ont des limites supérieures pratiques à la tension d’alimentation dues à la formation d’arcs de commutation.

En ignorant les technologies de moteur plus exotiques telles que la réluctance commutée / variable, il existe trois catégories principales de moteurs électriques utilisés dans les applications automobiles:

Moteur à courant continu à balais : à commutation mécanique, seul un simple «hacheur» à courant continu est nécessaire pour contrôler le couple. Alors que les moteurs CC à balais peuvent avoir des aimants permanents, la taille des aimants pour les applications de traction rend leur coût prohibitif. En conséquence, la plupart des moteurs de traction à courant continu sont à bobines série ou shunt. Dans une telle configuration, il y a des enroulements sur le stator et le rotor.

Moteur CC sans balai (BLDC): à commutation électronique par inverseur, aimants permanents sur le rotor, enroulements sur le stator.

Moteur à induction : à commutation électronique par inverseur, rotor à induction, enroulements sur stator.

Vous trouverez ci-dessous quelques généralisations brutales concernant les compromis entre les trois technologies motrices. Il existe de nombreux exemples de points qui défieront ces paramètres; Mon objectif est uniquement de partager ce que je considérerais comme des valeurs nominales pour ce type d'application.

- Efficacité:
Brosse CC: Moteur: ~ 80%, contrôleur CC: ~ 94% (retour
indirect passif), NET = 75% BLDC: ~ 93%, inverseur: ~ 97% (retour synchronisé ou contrôle hystérétique), NET = 90%
Induction: ~ 91%: onduleur: 97% (contraction synchrone ou hystérétique), NET = 88%

- Usure / Entretien:
Pinceau DC: Pinceaux sujets à usure; besoin de remplacement périodique. Roulements
BLDC: Roulements (durée de vie)
Induction: Roulements (durée de vie)

- coût spécifique (coût par kW), y compris l' onduleur
brosse DC: faible - moteur et le contrôleur sont généralement peu coûteux
BLDC: haute - haute puissance aimants permanents sont très chers à
induction: modérés - onduleurs augmentent le coût, mais le moteur est pas cher

-
Brosse de réjection de chaleur CC: les enroulements sur le rotor rendent difficile l'élimination de la chaleur du rotor et du collecteur avec des moteurs à puissance élevée.
BLDC: Les enroulements sur le stator facilitent le rejet de chaleur. Les aimants sur le rotor ont un chauffage induit par un courant de Foucault faible à modéré.
Induction: les enroulements sur le stator simplifient le rejet de chaleur du stator. Les courants induits dans le rotor peuvent nécessiter un refroidissement de l'huile dans les applications à forte puissance (entrée et sortie via l'arbre, sans éclaboussures).

- Comportement couple / vitesse
Pinceau CC: Couple théoriquement infini à vitesse zéro, le couple diminue avec la vitesse. Les applications automobiles à balais CC nécessitent généralement 3 ou 4 rapports de transmission pour couvrir toute la plage de vitesse et de pente de la voiture. Pendant plusieurs années, j'ai conduit un véhicule électrique à moteur à courant continu de 24 kW qui pourrait éclairer les pneus à l'arrêt (mais j'ai eu du mal à atteindre 65 km / h).
BLDC: Couple constant jusqu'à la vitesse de base, puissance constante jusqu'à la vitesse maximale. Les applications automobiles sont viables avec une boîte de vitesses à un seul rapport.
Induction: Couple constant jusqu'à la vitesse de base, puissance constante jusqu'à la vitesse maximale. Les applications automobiles sont viables avec une boîte de vitesses à un seul rapport. Peut prendre des centaines de ms pour que le couple augmente après l'application du courant

- Divers:
Brosse DC: à hautes tensions, la formation d'arcs de commutation peut être problématique. Les moteurs CC à balais sont utilisés de manière canonique dans les applications de voiturettes de golf et de chariots élévateurs (24V ou 48V), bien que les modèles les plus récents soient à induction en raison de leur efficacité améliorée. Le freinage régénératif est délicat et nécessite un régulateur de vitesse plus complexe.
BLDC: le coût des aimants et les difficultés d’assemblage (les aimants sont TRÈS puissants) rendent les moteurs BLDC viables pour les applications à faible consommation d’énergie (comme les deux moteurs / générateurs Prius). Le freinage régénérateur est essentiellement gratuit.
Induction: le moteur est relativement peu coûteux à fabriquer et les prix de l'électronique de puissance pour les applications automobiles ont considérablement baissé au cours des 20 dernières années. Le freinage régénérateur est essentiellement gratuit.

Encore une fois, il ne s’agit là que d’un résumé de très haut niveau de certains des principaux inducteurs de conception pour la sélection du moteur. J'ai volontairement omis de spécifier une puissance et un couple spécifiques, car ceux-ci ont tendance à varier beaucoup plus avec la mise en œuvre réelle.

... et maintenant pourquoi Tesla utilise des moteurs à induction

Les autres réponses sont excellentes et abordent les raisons techniques. Après avoir suivi Tesla et le marché des véhicules électriques en général pendant de nombreuses années, j'aimerais répondre à votre question en expliquant pourquoi Tesla utilise des moteurs à induction.

Contexte

Elon Musk (cofondateur de Tesla) vient de la pensée de la Silicon Valley (SV), selon laquelle "aller vite et casser des choses" est le mantra. Lorsqu'il a encaissé plusieurs centaines de millions de dollars sur PayPal, il a décidé de s'attaquer aux véhicules (d'exploration spatiale et) électriques. Dans SV-land, le temps et la rapidité nécessaires pour faire avancer les choses étant primordiaux, il a donc cherché un moyen qu'il pourrait utiliser comme point de départ pour prendre un bon départ.

JB Straubel était un ingénieur (dans l’espace comme dans l’EV) ayant les mêmes idées. Il a contacté Musk peu après que Musk eut manifesté son intérêt pour l’espace et le public dans le domaine de l’EV.

Au cours de leur premier déjeuner, Straubel a mentionné une société appelée AC Propulsion, qui avait mis au point un prototype de voiture de sport électrique utilisant un châssis de voiture en kit. Déjà dans sa deuxième génération, il était récemment passé à l’utilisation de batteries lithium-ion, avait une autonomie de 250 km, offrait beaucoup de couple, pouvait aller de 0 à 60 en moins de 4 secondes, mais il est très utile à la discussion: - Vous l'avez deviné - Propulsion AC (moteur à induction).

Musk a visité AC Propulsion et en est ressorti très impressionné. Il a essayé pendant quelques mois de convaincre AC Propulsion de commercialiser le véhicule électrique, mais cela ne l'intéressait pas à ce moment-là.

Tom Gage, président d’AC Propulsion, a suggéré à Musk de s’associer à un autre prétendant composé de Martin Eberhard, Marc Tarpenning et Ian Wright. Ils ont convenu de fusionner leurs efforts, Musk devenant président et responsable général de la conception des produits, Eberhard devenant directeur général et Straubel devenant directeur technique de la nouvelle société qu'ils ont baptisée "Tesla Motors".

La réponse

Donc voilà, Tesla utilise l'induction principalement parce que le premier prototype viable que Musk a vu l'utilisait. L'inertie (sans jeu de mots ... ok, un peu) explique le reste ("Si ce n'est pas cassé ...").

Maintenant, pourquoi AC Propulsion l'a utilisé dans son prototype Tzero, voir les autres réponses ... ;-)

Si vous voulez l'histoire complète allez ici ou ici .

Il est difficile de dire quelles étaient les raisons exactes des ingénieurs sans faire partie de l'équipe de conception, mais voici quelques réflexions:

1. Les deux moteurs nécessitent des entraînements similaires. Les moteurs à courant continu brossés peuvent fonctionner directement sur une batterie, mais le type de moteur que vous observez dans un véhicule électrique est un moteur à courant continu sans balai. Les entraînements pour un moteur à induction et un moteur à courant continu sans balai sont très similaires. Le contrôle d'un moteur à induction est probablement plus complexe en général.

2. Les moteurs sans balai à courant continu ont des aimants dans le rotor. Ceci est plus coûteux qu'un rotor à induction avec du cuivre. De plus, le marché des aimants est très volatil. D'autre part, un moteur à induction produira beaucoup plus de chaleur dans le rotor en raison des pertes I²R et des pertes de noyau.

3. Le couple de démarrage du moteur sans balai est généralement supérieur à celui des moteurs asynchrones.

4. L’efficacité maximale du moteur sans balai est généralement supérieure à celle des moteurs à induction, mais j’ai lu quelque part que Tesla obtient un rendement moyen plus élevé avec son moteur à induction que pour un moteur sans balai. Malheureusement, je ne me souviens pas où j'ai lu cela, cependant.

5. Beaucoup de gens étudient maintenant des machines à réluctance commutée. Les dernières conférences sur les moteurs auxquelles j'ai participé portaient sur la réluctance commutée. Ils ne nécessitent pas d'aimants et l'efficacité de ces types de moteurs semble prometteuse. Tout le monde veut s'éloigner des aimants dans les moteurs.

Ainsi, comme je l'ai dit, je doute que quiconque puisse répondre à votre question, à l'exception des ingénieurs de Tesla. Mais ma meilleure hypothèse est que cela a probablement quelque chose à voir avec mon point 4) mais je ne le sais pas avec certitude. Je suis sûr que la volatilité des prix des aimants a aussi quelque chose à voir avec cela.

La réponse provient du personnel de Tesla lui-même dans l'article sur les moteurs sans balais à induction et à courant continu

Cette partie est particulièrement remarquable:

Dans un entraînement sans balai idéal, la force du champ magnétique produit par les aimants permanents serait réglable. Lorsque le couple maximal est requis, en particulier à faible vitesse, l'intensité du champ magnétique (B) doit être maximale - afin que les courants du variateur et du moteur soient maintenus à leurs valeurs les plus basses possibles. Ceci minimise les pertes I² R (current² resistance) et optimise ainsi l'efficacité. De même, lorsque les niveaux de couple sont faibles, il convient de réduire le champ B de manière à réduire également les pertes par Foucault et par hystérésis. Idéalement, B devrait être ajusté de manière à minimiser la somme des pertes par tourbillonnement, hystérésis et I². Malheureusement, il n’ya pas de moyen facile de changer B avec des aimants permanents.

En revanche, les machines à induction n'ont pas d'aimants et les champs B sont «réglables», car B est proportionnel à V / f (tension à fréquence). Cela signifie qu’à des charges faibles, l’onduleur peut réduire la tension, ce qui permet de réduire les pertes magnétiques et d’optimiser le rendement. Ainsi, lorsque la machine à induction est utilisée avec un onduleur intelligent, elle présente un avantage par rapport à une machine sans balai à courant continu: les pertes magnétiques et de conduction peuvent être échangées de manière à optimiser le rendement. Cet avantage devient de plus en plus important à mesure que les performances augmentent. Avec le CC sans balai, à mesure que la taille de la machine augmente, les pertes magnétiques augmentent proportionnellement et l'efficacité de la charge partielle diminue. Avec l'induction, à mesure que la taille de la machine augmente, les pertes n'augmentent pas nécessairement. Ainsi, les moteurs à induction peuvent être l’approche privilégiée pour obtenir des performances élevées;

Les aimants permanents sont chers - environ 50 dollars le kilogramme. Les rotors à aimants permanents (PM) sont également difficiles à manipuler en raison des forces très importantes qui entrent en jeu lorsque quelque chose de ferromagnétique s’approche d’eux. Cela signifie que les moteurs à induction conserveront probablement un avantage de coût par rapport aux machines PM. De plus, en raison des capacités d’affaiblissement du champ des machines à induction, les caractéristiques nominales et les coûts des onduleurs semblent plus bas, en particulier pour les variateurs hautes performances. Étant donné que les machines à induction en rotation produisent une tension faible, voire nulle, lorsqu'elles sont désexcitées, elles sont plus faciles à protéger.

TOUS les moteurs électriques rotatifs sont des moteurs à courant alternatif. Chacun d'entre eux.
En outre, au fond, ils font essentiellement la même chose. La différence réside dans la transformation du courant continu en courant alternatif et dans son utilisation pour produire ensuite un résultat standard.

Le seul moteur électroniquement à courant continu est le moteur à balais. Le courant continu est transformé en courant alternatif par le commutateur rotatif et les balais fixes. En dehors de ce moteur, tous les autres vont avoir besoin d'une forme de conversion de courant continu en courant alternatif. Le moteur de la brosse est généralement peu attrayant car le changeur mécanique (commutateur) CC à CA est relativement coûteux et de durée de vie relativement courte.

Ainsi, pour une Tesla ou un autre véhicule électrique, le choix ne dépend pas du courant continu ni du courant alternatif, mais du type de moteur à courant alternatif qui répond le mieux aux objectifs de conception de manière rentable.

La Tesla utilisera ce qu’elle fait parce qu’elle atteint les objectifs de conception de la manière la plus rentable.

Les votes négatifs suggèrent qu’un certain nombre de personnes sont d’accord avec Marcus et pensent que la réponse ci-dessus est tatillonne. Un peu de réflexion et un regard sur mes réponses en général peuvent suggérer un manque de compréhension de la part des votants descendants.

Tous les moteurs électriques rotatifs sont des moteurs à courant alternatif

• Si vous pensez que ce point est à pic, alors vous devez réfléchir davantage à ce qu'une voiture électrique fait globalement.

Voyons si les votants défavorisés ont le courage de lire ce qui suit, puis retirons leurs votes défavorables. Pour moi, ce n'est pas grave. Dans la mesure où vous induisez les autres en erreur, cela compte beaucoup.

TOUS les moteurs électriques rotatifs nécessitent un contrôleur pour appliquer le courant alternatif au moteur d’une manière ou d’une autre.
La distinction entre moteur à courant alternatif et moteur à courant continu est utile dans certains contextes, mais dans une automobile qui est un système fermé qui commence par une source d'énergie à courant continu et se termine par un moteur électrique rotatif, la distinction est fausse et inutile. La voiture est un système fermé. Quelque part dans le système, un contrôleur convertit le courant continu en courant alternatif sous une forme ou une autre. Peu importe qu'il soit monté à l'intérieur du stator ou du rotor du rotor, à l'intérieur de la coque du moteur, fixé à la coque ou à un autre endroit de la voiture.

Dans un moteur "DC" à balais, le "contrôleur" est un interrupteur mécanique monté à l'extrémité de l'arbre du moteur. Ce contrôleur est appelé \ commutateur, mais c \ 'est fonctionnellement un contrôleur qui prend le courant continu et crée un champ magnétique de poursuite du champ magnétique alternatif en ce qui concerne les enroulements dans le moteur.

Un stator à rotor à aimant permanent "Moteur à courant continu sans balai" est très similaire, fonctionnellement, à un moteur à courant continu à balais, le commutateur étant remplacé par des commutateurs électroniques et des capteurs qui prennent le courant fourni et l’appliquent à divers le rotor tourne. Encore une fois c'est un moteur à courant alternatif avec un contrôleur. Il suffit de demander à n'importe quel enroulement. Les capteurs se trouvent dans le moteur proprement dit et les commutateurs peuvent être adjacents au moteur proprement dit ou à distance.

Un moteur à induction à cage d'écureuil ajoute un degré de complexité en utilisant la rotation d'un nid d'enroulements à basse impédance à l'intérieur du champ de stator pour induire une tension dans les barres du rotor et pour créer un champ magnétique qui fait tourner le rotor de sorte qu'il chasse le champ alternatif en rotation appliqué aux enroulements du stator. De nouveau, il a un courant continu monodirectionnel (mais variant de façon sinusoïdale) pendant n’importe quelle partie de la séquence d’entraînement. C'est autant un système mixte CC / CA qu'un autre.

On pourrait décrire à contrecœur des moteurs à courant de Foucault variables - plus ou moins identiques, mais différents. C'est un moteur à courant alternatif avec un contrôleur qui le produit en courant continu.

La distinction est peu pertinente et triviale. La vraie question est "pourquoi Tesla utilise-t-il cette forme de moteur plutôt qu'un autre". Que ce n’est pas seulement de la sémantique mais un manque de compréhension est démontré par le Wordin

• ... qui nécessitent l'inverseur de puissance, au lieu de DC qui plus direct de leur batterie DC. Introduire inveter signifie plus de coût (poids, contrôleur, etc.) ...

Le seul moteur "à courant continu" qui ne nécessite pas d'onduleur ni de système de commutation électronique est le moteur à balai mécanique. Celles-ci sont tellement inadaptées à la tâche des variateurs de vitesse légers que peu d’entre elles seront utilisées dans la conception des voitures électriques modernes. TOUS les autres types de moteur électrique sans onduleur auront de l’électronique au lieu d’un onduleur.

J'ai dit que les moteurs électriques "ROTARY" sont des moteurs à courant alternatif, car il est sans doute possible de produire un moteur linéaire à moteur à courant continu sans balai avec un fonctionnement à courant continu commuté, bien que l'utilisation du cuivre et du magnétisme serait inefficace. Vous pouvez le faire avec un moteur rotatif, mais pas dans le monde réel le moteur dans la production en volume le ferait.

Les moteurs à courant continu ne peuvent pas correspondre à la densité de puissance des machines à courant alternatif. La force de champ maximale que même les meilleurs aimants peuvent atteindre est de 2,5 teslas sur toute la largeur de l’espace aérien. Pour ce faire, une ingénierie sérieuse est nécessaire, en particulier si vous souhaitez effectuer une rotation rapide pour une densité de puissance élevée. Les machines à induction produisent très facilement 3+ teslas sans le deuil des aimants et des tolérances idiotes. Ils ne font évidemment pas cela aussi efficacement que les machines à courant continu, mais qui a dit que les voitures de sport étaient efficaces? Kg pour kg, la machine à induction à courant alternatif est la plus puissante de toutes les machines. Lorsqu'elle est contrôlée, achetez un onduleur sophistiqué fonctionnant à des vitesses de rotation élevées.

Les vraies raisons pour lesquelles ils utilisent des moteurs à induction pour leurs voitures sont:

1. les moteurs à induction sont moins chers
2. les moteurs à induction ne nécessitent pas beaucoup d'entretien (pas de brosses)
3. les moteurs à induction sont plus légers
4. les nouvelles technologies de contrôle de la vitesse des moteurs à induction sont maintenant disponibles (tension variable, fréquence variable) et faciles à produire en série

IMHO, Propulsion à courant alternatif (Tesla Motors) utilise le courant alternatif, car un moteur à courant continu à commutation mécanique qui respecte le ratio élevé de "retournement" d'une application de véhicule est plus complexe qu'un moteur à courant alternatif à commutation électronique. Sans ce taux de rotation élevé, la taille physique du moteur ne produisant qu'un couple brut serait prohibitive. Le moteur à induction plutôt que le moteur PM est non seulement plus stable financièrement, mais également plus stable du point de vue de l'ingénierie. Les aimants peuvent et sont endommagés. Le champ électromagnétique s'enroule dans le rotor, pas tellement et comme ils le démontrent, la densité d'énergie est similaire.

Je m'oppose vivement au consensus apparent selon lequel "tous les moteurs électriques sont en courant alternatif" et je fonde mon argumentation sur un mouvement unipolaire et non sur la révolution complète du moteur.

Dans un mouvement unipolaire, le seul moment où le courant alternatif est véritablement nécessaire est celui où il est nécessaire d'induire un courant dans un enroulement parasite, comme dans le rotor des moteurs à induction. Sinon, seule la commutation est nécessaire.

Cet argument peut être mieux démontré en observant un moteur à l'arrêt. Seuls les moteurs sans induction ou à particules, qui sont des moteurs à induction, ont besoin du courant alternatif pour générer le courant de champ créant le champ magnétique réactif.

Tous les autres moteurs doivent uniquement fournir du courant continu au stator pour générer un couple complet au décrochage. Les moteurs de terrain bobinés utilisent souvent le courant alternatif pour générer le champ, mais fonctionnent également très bien avec le courant continu, probablement avec encore plus de couple que lorsqu'ils sont en courant alternatif.

Mes moteurs "servo" PM découpent peut-être le courant continu pour contrôler l'alimentation, mais ils ne font que couper le courant continu, pas l'inverser à chaque coup. Placez un commutateur mécanique sur le servo-moteur AC PM et il fonctionnera sur CC. C'est vrai, pas aussi efficace, mais pas à cause de l'absence d'une forme d'onde sinusoïdale. Il sera également limité en vitesse maximale sans avance-brosse mécanique.

Consacrez un peu de temps aux propriétés de décrochage d’un moteur à double enroulement, un moteur évidemment "à CA uniquement", alimenté en CC et vous pourrez peut-être comprendre mon argument. Si vous voulez pousser chaque pôle en plus de le tirer, vous devez fournir un courant alternatif. Sinon, le courant continu est tout ce dont vous avez besoin et souvent tout ce que vous utilisez, même si l'alimentation est en courant alternatif.

Ardoise

Tous: Les machines brossées sont limitées à peut-être 48V pour éviter les arcs électriques. En revanche, une machine sans balai peut fonctionner facilement à partir d’une batterie de 240 V, avec une tension augmentée à 480 V ou plus par un convertisseur élévateur de tension placé entre la batterie et le moteur. Avec une tension aussi élevée, similaire à celle utilisée dans la plupart des voitures hybrides ou plug-in actuelles, les pertes de contrôle de la vitesse sont minimisées par rapport à la puissance totale transférée, favorisant ainsi un rendement élevé.

En réalité, Tesla utilise des moteurs électriques synchrones, qui utilisent à la fois du courant alternatif et du courant continu. Si le moteur n’utilisait que le courant alternatif, il s’agirait d’un moteur à induction asynchrone, moteur imprévisible à utiliser dans les véhicules en raison du glissement du champ électromagnétique lorsqu’une tension est induite dans le rotor (la vitesse de sortie est inférieure à la rotation du champ électromagnétique Formule: Tours par minute = Fréquence * 60 / paires de pôles par phase - Glissement de vitesse).

Dans un moteur synchrone, la bobine de stator est amplifiée par un courant alternatif (comme un moteur à induction conventionnel), mais elle est également dotée d'un rotor amplifié par une tension continue (contrairement à un moteur à induction). Ce faisant, la vitesse de sortie peut atteindre la vitesse maximale théorique (la vitesse sunchronique), ce qui en fait un moteur prévisible et efficace à utiliser dans les véhicules. (Formule: Tours par minute = Fréquence * 60 / paires de pôles par phase).

Tesla peut alors l'expliquer et utiliser un contrôleur de vitesse électronique (ESC). Un ESC est une carte de circuit imprimé qui inverse l’énergie CC de la batterie en courant alternatif, transforme les ondes carrées en ondes sinusiennes, modifie la fréquence et l’amplitude en fonction des signaux de la pédale d’accélérateur, et envoie la puissance traitée. au stator. Il modifie également l'amplitude de l'alimentation en courant continu du rotor en fonction de l'alimentation en courant alternatif du stator.